Strategia sterowania falownikiem napięcia bez czasów martwych

Arkadiusz LEWICKI, Zbigniew KRZEMINSKI
Politechnika Gdańska, Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych
Strategia sterowania falownikiem napięcia bez czasów martwych
Streszczenie. Sterowanie falownikami napięcia realizowane jest zwykle z wprowadzaniem czasów martwych do sygnałów załączających tranzystory.
Do skompensowania efektów czasu martwego konieczne jest określenie kierunków prądów fazowych falownika. W artykule rozważane jest sterowanie falownikiem dla prądu w fazie bliskiego zeru. Zaprezentowana metoda sterowania opiera się na włączaniu jedynie wybranych tranzystorów i wprowadzaniu dodatkowych wektorów napięcia, co prowadzi do precyzyjnego generowania napięcia wyjściowego falownika.
Abstract. (Methods of the control of yoltage inverters without the dead time). Control of voltage source inyerters is usually realized with introduction ofdead-times into control signals for transistors. Determination ofphase current directions in the inverteris required to compensate forappearing
dead-time effects. Control strategy for the inverter if the phase current is near to zero is considered in the paper. The proposed control strategy is based
on switching on only selected transistors and adding additional vectors. The method makes itpossible to generale precise inverter output yoltage without necessity of dead-imes compensation.
Słowa kluczowe: modulacja szerokości impulsów, kompensacja, czas martwy.
Key words: pulse width modulation, dead time.
Wstęp
Podczas generowania napięcia w falowniku z modulacją
szerokości impulsów górne i dolne tranzystory w gałęziach
przekształtnika przełączane są naprzemiennie (rys. 1). Czas
wyłączania tranzystora jest dłuższy od czasu załączania, więc
równoczesne przełączanie sygnałów sterujących tranzystorami w tej samej fazie powodowałoby krótkotrwałe zwarcia obwodu pośredniczącego. Eliminację opisanego zjawiska
uzyskuje się przez wprowadzenie czasu martwego td do algorytmu sterującego załączeniami tranzystorów. Czas martwy
definiowany jest jako opóźnienie pomiędzy wyłączeniem jednego z tranzystorów a załączeniem następnego w tej samej
fazie falownika [Nowacki Z. 1991 ].
Rys. 1. Schemat falownika napięcia
Rys. 2. Pomiar kierunku prądu fazowego przy wykorzystaniu
przetworników analogowo-cyfrowych. 1 — kierunek dodatni,
O-kierunek ujemny
940
Wprowadzenie czasów martwych do sekwencji sterujących
tranzystorami przekształtnika ma wpływ na dokładność generowania wektora napięcia wyjściowego. Wektor napięcia
wyjściowego «0 zawiera składowe wynikające z wpływu czasów martwych Ar<().
(1)
HO = u. + Aun
gdzie:
(2)
u7 jest wektorem napięcia zadanego wyznaczonym w układzie sterowania przekształtnikiem, sgn(iilhc) jest kierunkiem
przepływu prądu fazowego w fazach a,b,c przekształtnika,
? r/ jest czasem martwym.
Wpływ czasu martwego na napięcie wyjściowe generowane w przekształtniku może zostać zredukowany poprzez zastosowanie algorytmów kompensacji. Poprawna kompensacja
wpływu czasu martwego wymaga określenia kierunków przepływu prądu fazowego w chwili przełączenia tranzystorów przekształtnika. Opóźnienia pojawiające się w układzie sterowania
cyfrowego pomiędzy chwilą pomiaru znaku prądu a momentem przełączenia tranzystorów danej fazy mogą być przyczyną błędnej detekcji kierunku prądu w chwili przełączania
tranzystorów. Na rysunku 2 przedstawiono przebiegi prądu fazowego przekształtnika oraz przebieg sygnału dyskretnego,
określającego kierunek przepływu prądu uzyskanego w układzie pomiarowym z przetwornikiem analogowo-cyfrowym. W
sytuacji przedstawionej na rysunku 2 algorytm kompensacji
wpływu czasów martwych zostanie zrealizowany przy założeniu, że kierunek przepływu prądu fazowego jest dodatni, podczas gdy w chwili przełączenia tranzystorów jest on ujemny.
Kierunki prądów fazowych, które wykorzystywane są
w algorytmach kompensacji wpływu czasów-martwych, mogą zostać określone metodami predykcji. W pracach (Munoz
A., Lipo T. 1999; Attaianese C., Tomasso G. 2000) zaprezentowano wyniki badań nad możliwościami kompensacji wpływu czasów martwych przy wykorzystaniu estymowanych
kierunków przepływu prądów fazowych przekształtnika.
Sterowanie tranzystorami falownika bez czasów
martwych
W falowniku napięcia z modulacją szerokości impulsów
wartość napięcia wyjściowego określona jako średnia za
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY
K. 80 NR 10/2004
okres impulsowania otrzymywana jest przez załączanie odpowiednich wektorów wyjściowych. Wektory składowe wektora napięcia wyjściowego przekształtnika uzyskuje się na
drodze naprzemiennego przełączania tranzystorów górnych
i dolnych gałęzi. Minimalizację strat komutacyjnych uzyskać
można wykorzystując tylko sąsiadujące ze sobą wektory. Kombinacje załączeń kluczy przekształtnika odpowiadające wektorom z wybranej sekwencji sygnałów sterujących (3) różnią
się między sobą stanem tylko jednego łącznika:
0
(3)
0
0
l l l
l
l
O
O
O
l
—>
—>
l
O O
O
l
'l
l l
0
0
l
—»
0
gdzie 1 oznacza załączenie, natomiast O - wyłączenie tranzystorów falownika, położenia tranzystorów w falowniku odpowiadają miejscom w kolumnach i wierszach macierzy
sygnałów.
W czasie pracy falownika napięcia prąd pobierany przez
silnik zamyka się przez tranzystory bądź diody zwrotne, w zależności od kierunku przepływu. Gdy prąd płynący przez gałąź falownika jest ujemny /< O i dolny tranzystor jest wyłączony,
obwód prądu zamyka się przez górną diodę gałęzi niezależnie od stanu załączenia górnego tranzystora. Załączenie dol-
Rys. 5. Wymuszenie kierunku prądu fazowego w jednej z faz
falownika
nego tranzystora spowoduje zmianę elementu przewodzącego prąd z górnej diody na dolny tranzystor gałęzi. Jeżeli prąd
płynący przez gałąź falownika jest dodatni i> O, to dolny tranzystor nie bierze udziału w przewodzeniu prądu fazowego (rys.
3). Eliminacja sekwencji sterujących załączaniem tych tranzystorów, które po komutacji nie przewodzą prądu fazowego,
pozwala na zastąpienie sekwencji (3) sygnałów sterujących
tranzystorami poniższą sekwencją:
(4)
0 0 0
0 0 0
1 1 0
0 1 0
0 0 0
0 0 0
—»
O
O l
0 0 0
dla kierunków prądów fazowych:
(5)
Rys. 3. Przepływ prądu w gałęzi falownika dla różnych wariantów
załączeń tranzystorów górnej i dolnej gałęzi
Rys. 4. Przebieg prądu fazowego oraz sygnału sterującego
przełączaniem górnego tranzystora tej fazy. O - załączony,
1 - wyłączony
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 10/2004
ib<0
ic>0]
W sekwencji (4) sterującej falownikiem napięcia nie występują przełączenia tranzystorów z górnego na dolny bądź z dolnego na górny w żadnej z faz przekształtnika, oczywiście o ile
nie nastąpi zmiana kierunku prądu fazy. W zależności od kierunku przepływu prądu załączany i wyłączany jest tylko jeden
z tranzystorów w każdej z faz przekształtnika. Klucze w każdej z gałęzi falownika nie są przełączane naprzemiennie, więc
wprowadzanie czasów martwych do sekwencji sterującej przełączalniami tranzystorów przekształtnika jest zbędne.
Na rysunku 4 przedstawiono przebiegi prądu fazy przekształtnika oraz sygnału sterującego załączaniem (0) i wyłączaniem (1) górnego tranzystora tej fazy.
W przypadku zmiany kierunku prądu fazy falownika zmieniają się również elementy biorące udział w przewodzeniu prądu. Zmiana kierunku prądu fazy może nastąpić w czasie
generowania dowolnego z wektorów tworzących wektor napięcia wyjściowego falownika. W przypadku, gdy prąd fazowy osiągnie wartość bliską zeru i pojawi się możliwość zmiany
jego znaku, konieczne mogłoby być załączanie zarówno górnych, jak i dolnych tranzystorów w gałęzi przekształtnika.
Uniknięcie takiego przypadku wymaga modyfikacji sterowania. W sekwencji sterującej falownikiem napięcia (3) można
wyodrębnić dwa wektory pasywne (000 i 111) oraz dwa aktywne (100 i 110). Generowanie jednakowych wektorów pasywnych na początku oraz na końcu okresu impulsowania nie
ma wpływu na wartość napięcia wyjściowego przekształtnika
941
średnią za okres impulsowania. Wykorzystanie sekwencji przełączeń:
"o o ol
1
(6)
0
'o o o"
0
ij
"o i ol
0
0
0
1
"o o o"
1
ij
0
1
dla kierunków prądów faz:
[ia<0
(7)
ib>0
ic~0]
pozwala na wyeliminowanie przełączeń tranzystorów w fazie
„c", w której kierunek prądu fazowego może zostać błędnie
określony.
Gdy prąd fazowy osiąga wartości bliskie zeru w fazie, w której przełączenie tranzystorów ma wpływ na załączenie jednego
z wektorów aktywnych, nie ma możliwości eliminacji przełączeń
tranzystorów tej fazy. W takim przypadku zmiana kierunku prądu może nastąpić podczas generowania dowolnego z wektorów składowych wektora napięcia wyjściowego. N iezbędne jest
przełączanie zarówno górnych, jak i dolnych tranzystorów gałęzi tej fazy oraz wprowadzenie czasów martwych do sygnałów
sterujących przełączeniami tych tranzystorów.
Opóźnienia pomiędzy pomiarem znaku prądu fazowego
a chwilą przełączania kluczy mogą stać się przyczyną nieprawidłowego skompensowania wpływu czasów martwych. Ponieważ wyeliminowanie tych opóźnień bez wykorzystania
metod predykcji nie jest możliwe, autorzy proponują tak sterować prądem fazowym falownika, aby jego znak był znany w
momencie przełączania tranzystorów falownika. Rezultat taki uzyskuje się przez wprowadzenie dodatkowego wektora aktywnego wymuszającego określony kierunek przepływu prądu
w fazie, w której osiąga on wartości bliskie zeru i istnieje możliwość błędnego określenia kierunku przepływu (rys. 5). Jeżeli na przykład prąd w fazie „a" jest bliski zeru, to zamieniając
sekwencję przełączeń (3) na sekwencję:
r°ii
L
(8)
0
o"
0
1
[l 0 o"
LO
0
1
—>
—>
"o 1 o'
0 0 0
0
0
O
l
Fi 1 0
LO 0 1
1
l
O"
1
0
—»
['„- 0
t, =
k
>0
0]
Wnioski
Zaprezentowana metoda modulacji szerokości impulsów
umożliwia dokładne generowanie wektora napięcia wyjściowego w przekształtniku mocy. Problem kompensacji wpływu
czasów martwych na napięcie wyjściowe przekształtnika rozwiązano poprzez eliminację konieczności wprowadzania czasów martwych do sekwencji sterujących pracą tranzystorów.
Dla przypadków, w których eliminacja konieczności wprowadzenia czasu martwego nie jest możliwa, problem poprawnej
kompensacji wpływu czasu martwego rozwiązano poprzez
wymuszenie określonego kierunku prądu w przewodzie fazowym falownika.
[ 1 ] A t t a i a n e s e C . , T o m a s s o G . : Predictive compensation of dead time effects in VSI feeding induction motors, IAS'2000.
[ 2 ] N o w a c k i Z.: Modulacja szerokości impulsów w napędach
przekształtnikowych prądu przemiennego, Wydawnictwo PWN,
1991.
[ 3 ] M u n o z A., L i p o T.: On-line dead-time compensation technique for open-loop PWM-YSI drives", IEEE transaction on powerelectronics, Vol. 14, No. 4, July 1999.
+ f,
gdzie r,, r4 są czasami generowania drugiego i czwartego wektora w sekwencji 8, td jest długością czasu martwego, ?9' jest
długością drugiego wektora w sekwencji (3).
942
Rys. 6. Zmiana kierunku przepływu prądu fazowego falownika
LITERATURA
uzyskuje się możliwość przełączenia wszystkich tranzystorów
przy znanych kierunkach przepływu prądu faz. Drugi wektor w
sekwencji (8) jest wektorem wymuszającym określony kierunek
prądu w fazie „a", trzeci wektor, o długości równej czasowi martwemu, jest wektorem, w którym obydwa tranzystory w fazie „a"
pozostają wyłączone, czwarty wektor odpowiadadrugiemu wektorowi z sekwencji przełączeń (3). Wprowadzony do (8) sekwencji czas martwy (wektor 3) oraz wektor dodatkowy mogą zostać
skompensowane poprzez modyfikację czasu generowania czwartego wektora zgodnie z zależnością:
(10)
Badania eksperymentalne sterowania według proponowanej metody modulacji szerokości impulsów przeprowadzono
przy wykorzystaniu falownika napięcia z czasem martwym
td= 5,5 us, zasilającym maszynę asynchroniczną o mocy
10 kW o obniżonej wartości napięcia znamionowego wynoszącej 173V. Pomiary kierunków przepływu prądów fazowych
realizowane były co 150 jis, w połowie czasu generowania
wektorów pasywnych. Spadki napięcia na elementach przewodzących prądy zostały skompensowane. Uzyskane wyniki przedstawiono na rysunkach 4, 5, 6.
0 0 0
dla kierunków prądów faz:
(9)
Wyniki badań eksperymentalnych
Autorzy: dr inż. Arkadiusz Lewicki, e-mail: [email protected],
prof. drhab. inż. Zbigniew Krzemiński, e-mail: [email protected],
Politechnika Gdańska, Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych, ul. Sobieskiego 7,
80-216 Gdańsk
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 10/2004